Фазовая обработка в задачах формирования, передачи и исследования искажений сверхширокополосных сигналов

неоднородность), включенный параллельно резистору R1. Слева на рис. 3.10 приведены зарегистрированные приемником тесто- вые сигналы x1(t) (кривая 1) и x2(t) (кривая 2), т.е. сигналы Sп[x1(t)] и Sп[x2(t)]. Справа приведены зарегистрированный приемником отклик u1(t) (т.е. сигнал Sп[u1(t)]) исследуемой линии передачи на сигнал x1(t) (кривая 3) и характеристика нелинейности ε(t) (кривая 4). В отклике линии передачи вначале наблюдается отклик от не- линейной неоднородности, а затем от линейной (нелинейная не- однородность находится ближе к началу линии, чем линейная).

t, нс

Рис. 3.10. Зарегистрированные приемником тестовые сигналы (Sп[x1(t)] – кривая 1, Sп[x2(t)] – кривая 2), зарегистрированный отклик исследуемой линии передачи на сигнал x1(t) (сигнал Sп[u1(t)], кривая 3) и характеристи- ка нелинейности ε*(t) (кривая 4)

Емкость конденсатора выбрана так, чтобы отклик данной неод- нородности мало отличался от отклика неоднородности в виде диода Шотки. Это позволило проверить возможность различения характе- ра неоднородностей (линейная или нелинейная) по характеристике нелинейности при одинаковых откликах неоднородностей на им- пульсный тестовый сигнал.

Видно, что характеристика нелинейности имеет экстремум в ок- рестности отклика от нелинейной неоднородности. В остальной части

отклика линии передачи (в том числе и в окрестности отклика от ли- нейной неоднородности) существенного превышения характеристики нелинейности над уровнем шума не наблюдается. Различение харак- тера неоднородностей (линейная или нелинейная) с применением ха- рактеристики нелинейности (3.19) возможно. Такая возможность со- храняется и в том случае, если отклики неоднородностей на тестовый сигнал x1(t) неразличимо сходные (см. кривую 3 на рис. 3.10). Экстре- мум характеристики нелинейности локализован во времени, что обес- печивает возможность определения расстояния до нелинейной неод- нородности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные фазовые корректоры и их применения позво- ляют сделать два основных вывода. Во-первых, новые фазовые корректоры на основе связанных линий позволяют повысить эф- фективность решения «классических» задач (таких как коррекция ФЧХ и преобразование формы сигнала) в сверхширокополосных системах (в особенности в УВЧ и СВЧ диапазонах). Во-вторых, «неклассические» применения фазовой обработки позволяют по- высить эффективность передачи СШП сигналов (посредством решения задач согласования импедансов) и исследования их не- линейных искажений.

ЛИТЕРАТУРА

1.Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1986. – 512 с: ил.

2.Авдоченко Б.И. Модели и структуры аналоговых устройств пикосекунд- ного диапазона: Дис. … канд. техн. наук: 05.12.04. – Защищена 17.05.2005. –

Томск, 2005. – 103 с.

3.Уменьшение локального рассогласования импедансов в сверхширокопо- лосных системах при помощи неминимально-фазовых фильтров: Отчет о НИР (промежуточ.): 42–44 / Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники; рук. Семёнов Э.В. – М., 2005. – 34 с. – Исполн.: Лощилов А.Г., Бабатьев В.В. –

Библиогр.: с. 27–28. – № ГР 01.2.006 06456. – Инв. № 02.2.006 04022.

4.Уменьшение локального рассогласования импедансов в сверхширокопо- лосных системах при помощи неминимально-фазовых фильтров : отчет о НИР (заключ.) : 42–44 / Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники ; рук. Семёнов Э.В. – М., 2005. – 42 с. – Исполн.: Лощилов А.Г., Лощилов И.Г. –

Библиогр.: с. 34–36. – № ГР 01.2.006 06456. – Инв. № 02.2.006 04023.

5.Семёнов Э.В. Уменьшение локального рассогласования импеданса сверхширокополосной антенны диапазона 1.5...30 МГц при помощи немини- мально-фазового фильтра // Труды XXIII Всероссийского симпозиума «Радио- локационное исследование природных сред». – Санкт-Петербург, 19–21 апреля, 2005. – СПб., 2005. – С. 311–317.

6.Семёнов Э.В., Семёнов А.В. Использование разности сверток тестовых сиг- налов и откликов объекта для исследования нелинейности преобразования сверх- широкополосных сигналов // Радиотехника и электроника. – 2007. – Т. 52, № 4. –

С. 480–485.

7.Семёнов Э.В. Исследование нелинейности преобразования детерминиро- ванных сверхширокополосных сигналов путем линейного комбинирования от- кликов объекта на линейно зависимые тестовые сигналы // Известия Томского политехнического университета. – 2004. – Т. 307, № 4. – С. 18–21.

8.Пат. RU 2263929 С1, Российская федерация, G 01 S 13/00. Способ исследо-

вания нелинейности преобразования сигналов объектом / Э.В. Семёнов. –

№2004110640; Заявлено 07.04.2004; Опублик. 10.11.2005; Бюл. № 31, Приори- тет 07.04.2004.

9.Исследование нелинейных свойств объектов с применением сверхширо- кополосных тестовых сигналов : отчет о НИР (промежуточ.): 42–44 / Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники; рук. Семёнов Э. В. – М., 2004. – 6 с. – Исполн.: Семёнов Э.В. – Библиогр.: с. 4-5. – № ГР 01.2.006 11494. – Инв.

№02.2.006 06698.

10.Исследование нелинейных свойств объектов с применением сверхширо- кополосных тестовых сигналов : отчет о НИР (заключит.): 42–44 / Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники; рук. Семёнов Э. В. – М., 2006. – 7 с. –

Исполн.: Семёнов Э.В. – Библиогр.: с. 5-6. – № ГР 01.2.006 11494. – Инв. № 02.2.006 06699.

11.Кисель В.А. Аналоговые и цифровые корректоры: Справочник. – М.: Ра- дио и связь, 1986. − 184 с.

12.Давыдов Г.Б. Основы теории и расчета фазокорректирующих цепей. –

М.: Связьиздат, 1958. – 293 с.

13.Сильвинская К.А., Голышко З.И. Расчет фазовых и амплитудных коррек- торов: Справочник. – М.: Связь, 1969. – 116 с.

14.Трифонов И.И. Синтез реактивных цепей с заданными фазовыми харак- теристиками. – М.: Связь, 1969. – 216 c.

15.Авраменко В.Л., Галямичев Ю.П., Ланнэ А.А. Электрические линии за-

держки и фазовращатели: Справочник. – М.: Связь, 1973. − 107 с.

16.Семёнов Э.В. Фазовые фильтры на основе связанных линий и их приме- нение для аналоговой обработки широкополосных сигналов: Дис…канд. техн.

наук: 05.12.21. – Защищена 20.10.98; Утв. 30.12.98; 04980011852. – Томск, 1998. – 134 с.

17.Семёнов Э.В., Малютин Н.Д. Широкополосные корректоры группового времени запаздывания на основе спиралеобразных связанных линий. – Радио-

техника, 1998, № 2. – C. 50–53.

18.Малютин Н.Д., Семёнов Э.В., Сычев А.Н., Маничкин А.Н., Мелехин А.Б.

Синтез широкополосных фазовых фильтров ВЧ и СВЧ на связанных линиях. – Известия вузов России // Радиоэлектроника. – 1998. – № 2. – С. 107–120.

19.Shiffman B.M. A new class of broadband microwave 90-degree phase shifters

//IRE Trans. on MTT, 1958. № 4. − P. 232–237.

20.Wardrop B., Tech B. Strip-line microwave group-delay equalizers // Marconi

Review, 1970. V. 33 – P. 150–177.

21.Мещанов В.П., Медокс Т.М., Шикова Л.В. Синтез фазовращателей на ос-

нове тандемного включения отрезков связанных линий // Радиотехника и элек-

троника. — 1993.—Т. 38, № 3. — С. 416–421.

22.Сверхширокополосные микроволновые устройства / АМ. Богданов, М.В. Давидович, Б.М. Кац и др.; Под ред. А.П. Креницкого и В.П. Мещанова. – М.: Радио и связь, 2001. – 560 с.

23.Сержантов А.М., Беляев Б.А. Исследование фазовой секции на базе свя-

занных микрополосковых линий / 10th International Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” CriMiCo’ 2000. 11–15 September, Sevastopol, Ukraine.

24.Дрогалев С.В., Малютин Н.Д. Использование С-секции с неуравнове- шенной электромагнитной связью в корректорах группового времени замедле-

ния // Радиотехника. – 1994. – № 12. – С. 30–32.

25.Семёнов Э.В., Малютин Н.Д., Маничкин А.Н. Фазовое звено с характери-

стиками функционального антипода С-секции // Радиотехника. – 2001. – № 5.

26.Малютин Н.Д., Семёнов Э.В., Маничкин А.Н. Полосковые устройства коррекции фазовых характеристик ВЧ и СВЧ трактов (фазовые фильтры) // Сборник трудов 2-й Всероссийской научно-технической конференции по про-

106 Литература

блемам создания перспективной авионики «Авионика-2003». Томск, ТУСУР, 15–17 апреля 2003. – Томск, 2003. – С. 236–238.

27.Семёнов Э.В. Синтез устройств обработки широкополосных сигналов на СВЧ с минимальными потерями энергии на основе связанных линий // Доклады международных научных симпозиумов «Распространение радиоволн в городе» и «Конверсия науки – международному сотрудничеству». Томск: Томский государ- ственный университет систем управления и радиоэлектроники, 1997. – С. 143–149.

28.Свидетельство на полезную модель 7248 Российская Федерация МПК6

Н01 Р 9/00. Корректор группового времени запаздывания / Семёнов Э.В., Ма- лютин Н.Д.; заявитель и патентообладатель Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. – № 97111492/20., заявл. 10.07.97; опубл. 10.07.98. – Бюл. №7. – 1 с.: ил.

29.Балзовский Е.В., Буянов Ю.И., Кошелев В.И. Сверхширокополосная ди-

польная антенна с резистивными плечами // Радиотехника и электроника. – 2004. –

Т. 49, № 4. – С. 460–465.

30.Малютин Н.Д. Многосвязные полосковые структуры и устройства на их основе. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. − 164 с.

31.Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюс- ников на СВЧ. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Советское радио, 1971. − 388 с.

32.Семёнов Э.В., Маничкин А.Н., Малютин Н.Д. Особенности импульсных последовательностей, формируемых фазовыми фильтрами на основе C-секций с периодической характеристикой группового времени запаздывания // Радиотех-

ника. – 2006. – № 6. – C. 27–30.

33.Сычёв А.Н. Управляемые СВЧ устройства на многомодовых полосковых структурах. – Томск: Том. гос. ун-т. – 2001. – 318 с.

34.Красноперкин В.М., Самохин Г.С., Силин Р.А. Импульсные сигналы в связанных линиях передачи // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. – 1983. – Вып. 7 (355). – С. 3–8.

35.Chang Fung-Yuel. Transient analysis of lossless coupled transmission lines in a nonhomogeneous dielectric medium // IEEE trans. on MTT. – 1970. – Vol. MTT-18, № 9. – P. 616–626.

36.Семёнов Э.В., Милешина Ю.Е. Передаточные свойства корректоров фор- мы сверхширокополосного сигнала в отсутствие согласования с импедансом ис- точника и нагрузки // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сб. науч. тр. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2004. – Вып. 4. – С. 102–109.

37.Фано Р.М. Теоретические ограничения полосы согласования произволь- ных импедансов. – М.: Советское радио, 1965. – 69 с.

38. Малютин Н.Д., Серебренников Л.Я., Гошин Г.Г., Рыбин А.П., Лощи- лов А.Г., Газизов Т.Р., Газизов Т.Т., Мелкозеров А.О., Семёнов Э.В., Семёнов А.В.,

Перевалов Н.Я., Федоров А.Е. Широкодиапазонные приемопередающие комби- нированные антенны. Принципы построения. Решение внутренней задачи // Электронные средства и системы управления: Материалы Международной научно-практической конференции. – Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2004. –

Ч. 1. – С. 107–111.

39.Youla D.C. A New Theory of Broad-band Matching // IEEE Trans. – 1964. Vol. CT-11, №. 1. – P. 30–50.

40.Holland John H. Adaptation in Natural and Artificial Systems: An Introductory Analysis with Application to Biology, Control, and Artificial Intelligence. – USA: University of Michigan, 1975. – 183 p.

41.Goldberg David E. Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine

Learning. – USA: Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1989. – 432 p.

42.Емельянов В.В., Курейчик В.М., Курейчик В.В. Теория и практика эволю-

ционного моделирования. – М.: Физматлит, 2003. – C. 91–110.

43.Лощилов И.Г., Бабак Л.И. Генетические алгоритмы бинарного кодиро- вания и взбалтывающий оператор кроссовера // Электронные средства и систе- мы управления: Доклады Международной научно-практической конференции, Томск, 12–14 октября 2005 г. – Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2005. – Ч. 2. – С. 136–140.

44.Лощилов И.Г., Бабак Л.И. Генетические алгоритмы бинарного кодиро- вания, основанные на мутации // Электронные средства и системы управления: Доклады Международной научно-практической конференции, Томск, 12-14 ок- тября 2005 г. – Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2005. – Ч. 2. –

С. 132–136.

45.Вернигоров Н.С., Борисов А.Р., Харин В.Б. К вопросу о применении мно-

гочастотного сигнала в нелинейной локации // Радиотехника и электроника. – 1998. – Т. 43, № 1. – С. 63–66.

46.Вернигоров Н.С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами // Радиотехника

иэлектроника. – 1997. – Т. 42, № 10. – С. 1181–1185.

47.Иванов И.Ф., Трофимов В.С. О едином методе измерения нелинейности импульсных устройств // Радиотехника. – 1963. – Т. 18, № 2. – С. 52–60.

48.Семёнов Э.В. Синтез сверхширокополосных тестовых сигналов для обна- ружения нелинейного преобразования сигнала путем наблюдения за нулями его спектральной плотности мощности // Сверхширокополосные сигналы в радиоло- кации, связи и акустике: Сб. докл. Всерос. науч. конф. – Муром, 2003. – С. 99–103.

49.Семёнов Э.В. Способ исследования нелинейных свойств объекта. Патент РФ № 2227921 // Бюллетень «Изобретения. Полезные модели». – 2004. – № 12 (III ч.). – С. 542.

50.Семёнов Э.В. Исследование неоднородностей в линии передачи с при- менением импульсных сигналов с нулем спектра // Электронные средства и сис- темы управления. Опыт инновационного развития: Докл. Междунар. науч.- практ. конф., Томск, 31 октября – 3 ноября 2007 г. – Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2007.

51.Semyonov E.V. Noise shaping for measuring digital sinusoidal signal with low

total harmonic distortion // Convention Paper 5621: AES 112th Convention. – Munich, Germany, 2002. – 2 p.

52. Lipshitz S.P., Vanderkooy J., Semyonov E.V. Noise shaping in digital testsignal generation // Convention Paper 5664: AES 113th Convention. – Los Angeles, USA, 2002. – 10 p.

53.Гребенкин И.М., Семёнов Э.В. Программное обеспечение для исследова- ния нелинейных искажений путем наблюдения за нулем спектральной плотности мощности // Материалы Шестой всероссийской научно-практической конферен- ции «Проблемы информационной безопасности государства, общества и лично- сти». – Томск, 2–4 июня 2004. – Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2004. – С. 129–130.

54.Будянский А.А., Семёнов Э.В. Повышение чувствительности нелинейно- го локатора, ограниченной шумами и нелинейностями элементов системы // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР – 2005». – Томск, 26–28 апреля, 2005. – Ч. 3. – С. 101–104.

55.Богданович Б.М. Принцип инвариантности и борьба с нелинейным по- ражением сигнала в приемно-усилительных трактах // Радиотехника. – 1991. –

№12. – С. 43–47.

56.Хазен Э.М. Определение плотности распределения вероятностей для слу- чайных процессов в системах с нелинейностями кусочно-линейного типа // Извес- тия АН СССР. Отд. тех. наук. Энергетика и автоматика. – 1961. – №3. – С. 58–72.

57.Деч Р. Нелинейные преобразования случайных процессов. – М.: Совет-

ское радио, 1965. – 208 с.

58.Лабутин С.А. Оценивание и коррекция динамических искажений сигна- лов на основе нелинейных моделей средств измерений // Измерительная техни-

ка. Метрология. – 1886. – №12. – С. 22–29.

59.Лабутин С.А. Коррекция нелинейно-инерционных искажений импульс- ных сигналов в измерительных преобразователях // Техника средств связи. Се- рия Радиоизмерительная техника. – 1989. – Вып. 1. – С. 9–15.

60.Трифонов И.И. Расчет электронных цепей с заданными частотными ха- рактеристиками. – М.: Радио и связь, 1988.

61.Семёнов Э.В. Сопоставление методов сверхширокополосной нелинейной локации, использующих один и несколько зондирующих импульсов // Радиоло- кационное исследование природных сред: Тр. XXIII Всерос. симпоз. – СПб., 2005. – Вып. 5. – С. 305–310.

62.Штейншлейгер В.Б. Нелинейное рассеяние радиоволн металлическими объектами // Успехи физических наук. – 1984. – Т. 142, вып. 1. – С. 131–145.

63.Семёнов Э.В. Нелинейная рефлектометрия с применением видеоим- пульсных тестовых сигналов // Известия Томского политехнического универси-

тета. – 2006. – Т. 309, № 3. – С. 153–155.

64.Семёнов Э.В., Малютин Н.Д. Использование N- и X-секций как фильтра Гильберта для коррекции формы сверхширокополосных импульсов в антенных системах // Труды X Международной научно-технической конференции «Радио- локация, навигация, связь». – Воронеж, 13–15 апреля, 2004. – С. 1950–1954.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Система автоматизированного проектирования согласующих неминимально-фазовых устройств MATCH WIZARD

Назначение и особенности САПР

САПР предназначена для автоматизированного проектирова- ния устройств, уменьшающих локальное (на частотной оси) рассо- гласование импедансов в сверхширокополосных системах. Основу проектируемого устройства составляет каскадное соединение звеньев с неминимально-фазовыми свойствами.

Отличительные особенности САПР следующие.

●Наличие большого набора неминимально-фазовых звеньев с различными, в том числе новыми, функциональными характери- стиками как на элементах с сосредоточенными параметрами, так и на основе связанных линий.

●Возможность гибко изменять частотную зависимость цели оптимизации, получая либо классическую задачу по достижению равномерного коэффициента стоячей волны в рассматриваемом диапазоне частот, либо задачу, при которой особым требованием является отсутствие значительного ухудшения КСВ за пределами согласуемого экстремума.

●В САПР заложены методы оптимизации, наилучшим обра- зом зарекомендовавшие себя по опыту применения для оптимиза- ции неминимально-фазовых согласующих устройств пакета про-

грамм Microwave Office:

1. Метод Монте-Карло (аналог Random Global, Random Local в Microwave Office).

2. Квазиньютоновский градиентный метод (аналог Gradient Optimization в Microwave Office).

3. Комбинированный метод (позволяет получить начальное приближение методом Монте-Карло с последующей оптимизаци- ей градиентным методом).

4. Генетические алгоритмы (классический и мутационный). В отличие от других методов оптимизации ГА, как правило, анали- зируют различные области пространства решений одновременно, и поэтому они более приспособлены к нахождению новых облас- тей с лучшими значениями целевой функции.

Собственно создание новых потомков реализует оператор скрещивания (кроссовера), используя генетический материал ро- дителей (представителей текущего поколения). Существует мно- жество различных операторов кроссовера. В рамках данной САПР реализованы N-точечный кроссовер (он является наиболее распро- страненным) и взбалтывающий кроссовер [43], который на неко- торых тестовых задачах показал свою эффективность и превосход- ство над N-точечным.

В САПР также реализован (с некоторыми модификациями) му- тационный ГА [44] (рис. П1.1). Данный алгоритм использует уси- ленную мутацию (мутации подвергается каждая хромосома). Мак- симальное количество переменных, которые могут быть одновре- менно мутированы, выбирается пользователем. Пользователем также задается максимальное количество генов в одной перемен- ной, которые могут быть мутированы (частота мутации). Если ко- пия-мутант исходной особи будет иметь лучшее значение целевой функции, то мутант заменяет исходную особь. Такой процесс про- исходит для каждой особи из популяции. Далее с вероятностью кроссовера происходит классическая эволюция.